Jak działa ładowanie bezprzewodowe - czy jest bezpieczne dla nas, dla smartfonu

Wireless charging czyli bezprzewodowe ładowanie zapewnia przekaz energii bez uprzykrzającej konieczności przewodowego łączenia, a to oznacza poprawę komfortu życia. Postrzegamy je pozytywnie, zanim nie dojdą do głosu wątpliwości, którymi zajmiemy się w tym materiale.

Pojęcie bezprzewodowe obejmuje szeroką klasę działań. Bezprzewodowa może być wiertarka, żelazko, ale w praktyce to tylko lotny synonim określenia „zasilana akumulatorowo”. Jednak energię da się przesyłać w pełni bezprzewodowo.

Smartfony najlepiej wpisują się dziś w schemat bezprzewodowego ładowania.

W tym tekście skupimy się na zastosowaniu technologii bezprzewodowego ładowania w przypadku smartfonów i pokrewnych im akcesoriów (smartwatche, opaski, słuchawki), choć zakres zastosowań obejmuje także sprzęt AGD, pojazdy, akcesoria łazienkowe i urządzenia medyczne. Są to tysiące różnych urządzeń i setki milionów wprowadzonych na rynek produktów (dane WPC z grudnia 2018 dla standardu Qi).

Jak działa ładowanie bezprzewodowe - podstawy

Zasada działania ładowarki bezprzewodowej nie jest wiedzą tajemną. Bazuje na koncepcji transformatora, wiedzy, którą starają się wpoić nam nauczyciele jeszcze w szkole podstawowej. Z czasem zapominamy co mówiono nam o polu elektromagnetycznym, a w głowach zostaje tylko jedno słowo - indukcja.

Ładowarka bezprzewodowa działa na podobnej zasadzie co transformator

I całe szczęście, bo bezprzewodowy transfer energii możliwy jest dzięki magnetycznego sprzężeniu indukcyjnemu (jest także sprzężenie pojemnościowe, ale nim nie będziemy się tu interesować). Działa ono następująco. Mamy dwa obwody - dla ładowarki i odbiornika (czyli smartfonu).

W pierwszym obwodzie wprowadzane są zmiany prądu, co powoduje wytworzenie zmiennego pola magnetycznego, które ukierunkowane jest przez cewkę. To pole przenika cewkę odbiornika i powoduje powstanie siły elektromotorycznej w drugim układzie, a w efekcie do ładowania akumulatora. Gdy to zjawisko przybiera na sile dla konkretnej częstotliwości mamy do czynienia z rezonansowym sprzężeniem indukcyjnym.

Schemat działania ładowarki bezprzewodowej - różne konfiguracje. Dobrze dopasowane cewki - wysoka efektywność / cewki o różnych rozmiarach - niska efektywność / cewki słabo dopasowane - średnia efektywność. Cewka ładowarki (niebieski), cewka ładowanego urządzenia (pistacjowy), czerwony kolor to kierunek linii pola magnetycznego przenikającego obie cewki. (źródło: WPC)

Zastosowanie dodatkowego obwodu rezonansowego po stronie odbiornika (pewne koncepty zakładają też taki obwód też po stronie nadajnika) maksymalizuje efektywność przekazywania energii dla konkretnej częstotliwości, a także zwiększa zasięg efektu. Dodatkowo większy zasięg pozwala jednocześnie ładować nie jedno, a kilka urządzeń umieszczonych obok siebie (tę liczbę można zwiększyć także stosując więcej niż jedno pole ładujące).

Z bezprzewodowym przekazem energii wiążemy Nikolę Teslę, który już pod koniec XIX wieku demonstrował potencjał tej idei w serii eksperymentów. Zjawisko bezprzewodowego transferu energii pomiędzy dwoma urządzeniami, jakkolwiek łatwe do zrozumienia, musiało poczekać kilkadziesiąt lat na pierwsze poważniejsze implementacje. Jedną z pierwszych branż, która korzystała z wygodnego przekazu energii była medycyna. Lecz na urządzenia powszechnego zastosowania przyszło nam poczekać kolejne kilkadziesiąt lat, aż w pierwszej dekadzie XXI wieku inżynierowie poważniej zajęli się zagadnieniem.

Ładowanie bezprzewodowe - różne standardy

Jeszcze niedawno na rynku konkurowały dwie technologie dedykowane smartfonom. Pierwsza to wariant standardu Qi (wymawiamy czii) opracowanego przez Wireless Power Consortium i zaprezentowana po raz pierwszy w 2008 roku, a druga to PMA (Power Matters Alliance), która zadebiutowała cztery lata później. Oba rozwiązania bazują na identycznym koncepcie indukcyjnego sprzężenia, a o niekompatybilności decydują różne częstotliwości robocze oraz protokoły przekazywania energii.

Zasięg działania smartfonowej ładowarki bezprzewodowej to kilka do kilkunastu mm

Wszystko sprowadza się do różnic przede wszystkim w oprogramowaniu, dlatego było do przewidzenia, że w końcu jedna z opcji przeważy. W 2017 roku Apple zapowiedziało przyjęcie technologii Qi w najnowszych iPhone’ach, a w styczniu 2018 roku nastąpiło połączenie organizacji rozwijających te standardy ze wskazaniem na Qi.

Dominujący standard ładowania bezprzewodowego dla smartfonów to Qi

Dlatego, o ile w starszych urządzeniach zgodność z konkretnym systemem ładowania mogła mieć jeszcze znaczenie, to w przyszłości nie będzie to raczej problemem. Ładowarki bezprzewodowe Qi wspierają też na ogół technologię rezonansowego indukcyjnego sprzężenia. Nie jest ona jednak tak efektywna jak dedykowany standard A4WP (Alliance for Wireless Power), lecz ten nie doczekał się obsługujących go urządzeń.

Xiaomi Mi 9 - smartfon z najszybszym ładowaniem bezprzewodowym

Ładowarki bezprzewodowe tak jak przewodowe mogą mieć różną moc. Zazwyczaj to od 5 do 10 W, ale w przyszłości mogą pojawić się konstrukcje o wydajności nawet do 60W. Obecnie najszybsze ładowanie bezprzewodowe uzyskamy w Xiaomi Mi 9 (ładowanie 20W), nieco w tyle pozostaje Huawei P30 Pro, seria Samsung Galaxy S10 (15W), a przewiduje się, że Huawei Mate 30 Pro pobije ten wyniki. Dlatego zgodność ze standardem Qi czy PMA nie oznacza od razu wsparcia pełnego potencjału technologii, który z roku na rok może się zmieniać.

Urządzenia ładowane bezprzewodowo - początki i teraźniejszość

Urządzenia umożliwiające ładowanie bezprzewodowe pojawiły się jeszcze przed spopularyzowaniem smartfonów. Miały najczęściej postać dodatkowych plecków, z akumulatorem lub samym modułem odbierającym bezprzewodowy transfer energii, które instalowano na przykład na palmtopie. Dziś wciąż można kupić osłony na smartfony, po których założeniu naładujemy bezprzewodowo urządzenia nie wyposażone fabrycznie we wsparcie dla tej technologii. 

Nokia Lumia 920 z 2012 roku to pierwszy powszechnie znany smartfon, ze zintegrowaną elektroniką bezprzewodowego ładowania. Kilka miesięcy przed tym smartfonem pojawiła się Kyocera, która oferowała i inną wybiegającą w przyszłość technologię - przekaz dźwięku przez wibracje ekranu, ale to produkt znany głównie w Japonii.

Oryginalna ładowarka fatboy dla Nokii Lumia 920

Rok później pojawił się tablet Google Nexus 7 2013, a potem Samsung Galaxy S6, który wprowadził technologię na Androidowe salony (było to PMA). Najnowsze smartfony Samsung wspierają zarówno standard PMA jak i Qi. Tymczasem Huawei, Apple, LG, Motorola, Nokia, Google, Xiaomi zdecydowały się na ten ostatni - Qi.

Użyteczność technologii bezprzewodowego ładowania nie zmienia faktu, że ten sposób ładowania smartfonów wciąż jest wyróżnikiem bardziej topowych modeli. To decyzja producentów, ale pewien wpływ mogą mieć też nastroje społeczne i wiążące się z nimi obawy o to…

…czy ładowanie bezprzewodowe jest bezpieczne dla zdrowia?

Tak jak w przypadku innych technologii, w których wykorzystywane jest promieniowanie elektromagnetyczne, nie ma jednoznacznego stanowiska co do nieszkodliwości ładowania bezprzewodowego.

Ostrożne korzystanie z ładowarek bezprzewodowych jest jak najbardziej rozsądnym zachowaniem, ale większość źródeł sugeruje, że w istocie nie są one szkodliwe dla naszego zdrowia. Oczywiście z urządzeń niewiadomego pochodzenia, bez certyfikatu, korzystamy na własną odpowiedzialność. 

Przeważa pogląd, że ładowarki bezprzewodowe nie są szkodliwe dla człowieka

Ten pogląd wspierany jest przez następujące argumenty.

• pole magnetyczne wytwarzane przez ładowarki jest bardzo słabe i krótko-zasięgowe
• całe pole magnetyczne jest wchłaniane przez smartfon podczas ładowania
• ładowarka nie działa, gdy nie jest na niej położony smartfon
• wykorzystywane są niewielkie częstotliwości, w przypadku smartfonów nie przekraczające kilkuset kHz (wyższe częstotliwości, liczone w MHz, stosowane są przez inne bardziej wymagające energetycznie sprzęty)

Ładowarki bezprzewodowe eliminują ponadto ryzyko porażenia elektrycznego. Elementy przewodzące prąd umieszczone są w szczelnej osłonie, a to oznacza brak bezpośredniego kontaktu z nimi. Mniej przekonujące, ale wciąż namacalne, jest uzasadnienie poprawy naszej higieny - taką ładowarkę tylko w ostateczności dotykamy.

Ładowarka bezprzewodowa - jak używać, jak wygląda

Ładowarka bezprzewodowa zazwyczaj ma formę podstawki lub podkładki o okrągłym lub prostokątnym kształcie. Może to być też giętka mata, albo moduł wbudowany w mebel lub inne urządzenie (na przykład obudowę komputera).

Ładowarka Huawei CP60 (15W) dedykowana urządzeniom tej marki

Takie rozwiązanie promuje aktywnie IKEA. Z kolei Legrand, znany z produkcji gniazd i łączników elektrycznych, dostarcza podstawki ładujące bezprzewodowo do instalacji na ścianie zamiast kontaktu. Ładowarki bezprzewodowe spotkamy też w lepiej wyposażonych samochodach - w tym przypadku to wyjątkowo praktyczne rozwiązanie.

Ładowarka bezprzewodowa w lampce IKEA i moduł ładowarki do samodzielnej instalacji w meblu

Ładowarka nawet bezprzewodowa musi być podłączona do zasilania przewodowo

Nasz zysk w porównaniu z ładowaniem przewodowym polega na tym, że w przypadku bezprzewodowego ładowania wystarczy położyć smartfon na ładowarce by rozpocząć proces. Ładowanie zakończy się gdy smartfon zabierzemy. Podobną wygodę mamy w przypadku ładowarek, które wykorzystują styki i magnesy, ale tyczy się to tylko zegarków i innych niewielkich akcesoriów.

Starsze ładowarki i smartfony wymagały dokładnego umieszczenia względem siebie podczas ładowania. Dziś nie jest to czynnik krytyczny, ładowarki mają kilka cewek przesuniętych względem siebie dla większej efektywności, ale wciąż trzeba prawidłowo umieścić smartfon by proces ładowania się rozpoczął - usłyszymy sygnał dźwiękowy. Ładowanie sygnalizowane jest odpowiednią ikoną w polu powiadomień systemowych, a w ładowarce zaświeca się zwykle powiadomienie LED.

Ładowanie bezprzewodowe Huawei P30 Pro

W sprzedaży są też ładowarki z większa liczbą pól ładujących, które umożliwiają ładowanie więcej niż jednego urządzenia jednocześnie. Te wbudowane lub w postaci maty są wygodniejsze, gdyż umieszczony na nich smartfon nie chybocze się w trakcie ładowania.

Ładowanie bezprzewodowe nie zawsze będzie wolniejsze od przewodowego

Sam proces ładowania jest zazwyczaj wolniejszy niż ładowanie przewodowe. Jednak prawdą będzie to dla konkretnego urządzenia. Pomiędzy smartfonami niekoniecznie. Proste modele, które wspierają ładowanie przewodowe maksymalnie 10W ładowarką, będą wolniej ładowane niż smartfon, w który bezprzewodowo można pompować 20W. Na przykład Samsung Galaxy S9 można było ładować przewodowo 15W ładowarką, a w S10 taką wydajność ma już ładowanie bezprzewodowe.

Rolę ładowarki starają się przejąć same smartfony. Huawei P30 Pro czy Samsung Galaxy Note 10+ naładują bezprzewodowo inne kompatybilne urządzenia. Tak zwane bezprzewodowe ładowanie zwrotne jest wdrożeniem koncepcji wykorzystania smartfona jako bezprzewodowego powerbanku.

Pomysł ciekawy, ale przydatny raczej w sytuacjach awaryjnych niźli jako standardowe zastosowanie technologii.

Ograniczenia ładowarek bezprzewodowych

Każda technologia ma wady. Gdy przeważają nad nimi zalety, zaczyna być opłacalna. W końcu korzyści przesłaniają całkowicie minusy rozwiązania i zaczynamy go używać. Jak to wygląda w przypadku ładowarek bezprzewodowych?

Subiektywnie postrzeganym ograniczeniem technologii jest jej stosunkowo słabe rozpowszechnienie. Same ładowarki są łatwe do kupienia i nieprzesadnie drogie, choć te najlepsze o dużej prędkości ładowania potrafią kosztować już kilkaset złotych, ale trzeba mieć jeszcze odpowiedni smartfon.

Ładowarka bezprzewodowa to trzy elementy, przewodowa tylko dwa

Dla użytkownika, który minimalizuje wydatki, zabawa w bezprzewodowe ładowanie może okazać się nieopłacalna.

Zawartość zestawu ładowarki bezprzewodowej - ładowarka przewodowa (pełni rolę zasilacza), przewód USB, pole ładujące bezprzewodowo

Smartfon, który bardzo wolno ładuje się bezprzewodowo, ale bardzo szybko przewodowo, od razu wskaże nam, które rozwiązanie jest wygodniejsze. Prędkość ładowania w obu przypadkach (przewodowo/bezprzewodowo) jest podawana w specyfikacji każdego z urządzeń. W razie czego pomocny będzie nasz poradnik jak przeliczać jednostki.

Ładowarka bezprzewodowa sprawdzi się jako urządzenie stacjonarne - stosowane w domu lub pracy, albo zastane przez nas w miejscu do którego się udajemy. A na pytanie „czy ładowarki bezprzewodowe są powszechne tam gdzie bywamy?”, odpowiedzieć musimy już samodzielnie. Ładowarkę da się przecież zabrać ze sobą na dłuższy wyjazd. W krótkiej podróży przewodowe ładowanie (także z powerbanku) to lepsze rozwiązanie, chyba że ładowarka bezprzewodowa jest elementem urządzenia, które i tak zabieramy.

Ładowarka bezprzewodowa najlepiej sprawdza się jako urządzenie stacjonarne lub wbudowane

Ładowanie bezprzewodowe wymaga odpowiedniej konstrukcji smartfona. Smartfony wyposażone w całkowicie metalowe plecy, które ekranują pole elektromagnetyczne, nie będą wspierać ładowania bezprzewodowego. Technologia faworyzuje plastikowe i szklane elementy obudowy. Również zbyt grube etui zakłóci proces ładowania, albo zmniejszy jego wydajność.

Korzyści z ładowania bezprzewodowego - czy jest szkodliwe dla akumulatora smartfonu

Trudno uwierzyć by umieszczanie technologii ładowania bezprzewodowego w smartfonie było podyktowane wyłącznie dążeniem producenta do dodania kolejnego punktu do specyfikacji i ewentualnego wywindowania ceny. Musza istnieć korzyści, którymi można przekonać potencjalnych użytkowników, a ewentualne obawy powinny być łatwe do zdyskredytowania. O wpływie na zdrowie człowieka już mówiliśmy. To nie wszystko.

Wygoda obsługi to podstawowy plus ładowania bezprzewodowego

Smartfon też ma swoje zdrowie, może tylko z technologicznej perspektywy, ale zużycie sprzętu to zjawisko, które ma miejsce. W tym przypadku najwięcej pytań dotyczy akumulatora i jego żywotności.

Producenci zapewniają nas, że elektronika towarzysząca technologii bezprzewodowego ładowania dba podobnie jak w przypadku ładowania przewodowego o to by akumulator nie został uszkodzony, zbyt mocno naładowany.

Lecz podczas ładowania smartfon i akumulator się nagrzewa, a to może degradować jego jakość i zmniejszyć liczbę dostępnych cykli ładowania. Ten argument, jest często podnoszony, badania wskazują, że ładowanie bezprzewodowe może prowadzić do nagrzewania sie akumulatora, a źródłem ciepła jest zarówno smartfon jak i sama ładowarka. 

Wzrost temperatury akumulatora jest nieuchronny niezależnie od techniki ładowania. Źródłem problemów w przypadku ładowania bezprzewodowego może być nieprawidłowe wyrównanie cewek ładowarki i smartfona (źródło: ACS Energy Letters). Im większa nieprawidłowość tym dłużej utrzymuje się podniesiona temperatura akumulatora, w porównaniu z ładowaniem przewodowym. W tym rozumowaniu jest pewne "ale".

Podczas ładowania przewodowego, szczególnie szybką ładowarką (a takie coraz częściej są dodawane do zestawów), smartfon grzeje się nawet bardziej niż przy ładowaniu bezprzewodowym. I jak już wspomnieliśmy, producenci dziś przeciwdziałają skutkom niedokładnego wyrówniania smartfona i ładowarki. Niemniej weźmy do serca poniższą zasadę.

Nie korzystajmy intensywnie ze smartfonu podczas ładowania

Uważa się też, że straty z tytułu nagrzewania są mniej istotne niż konsekwencje intensywnego korzystania ze smartfona, które kontynuujemy po rozpoczęciu ładowania. To ostatnie zachowanie jest niewskazane, bo akumulator grzeje się wtedy dodatkowo. W przypadku ładowania przewodowego szczególnie chętnie ulegamy temu nawykowi. Ładowarka bezprzewodowa w trakcie pracy nie powinna być też wystawiona na źródła ciepła jak światło słoneczne.

Poza tym ładując bezprzewodowo możemy wyrobić sobie nawyk podładowywania akumulatora gdy tylko nadarzy się okazja. Wtedy łatwiej utrzymać poziom naładowania powyżej 50% co pozytywnie wpływa na żywotność akumulatora, w przeciwieństwie do częstego rozładowywania w 85% i większym stopniu. To niewątpliwa korzyść, która może przyćmić ewentualne niepewności co do technologii.

Ładowanie bezprzewodowe pozwala wygodniej doładowywać akumulator

I na koniec naszego wywodu jeszcze jedna drobna korzyść. Ładując bezprzewodowo, rzadziej korzystamy z portu USB w smartfonie. A to oznacza, że narażamy go w mniejszym stopniu na zużycie i ewentualne uszkodzenie. Możemy też wyobrazić sobie urządzenie pozbawione złącz, w którym komunikacja jak i ładowanie zachodzi wyłącznie drogą bezprzewodową.

Źródło: Huawei, Belkin, WPC, PMA, inf. własna